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EP1203151B1 - Zweistufiges magnetventil für einen injektor von brennkarftmaschinen - Google Patents

Zweistufiges magnetventil für einen injektor von brennkarftmaschinen Download PDF

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Publication number
EP1203151B1
EP1203151B1 EP00958208A EP00958208A EP1203151B1 EP 1203151 B1 EP1203151 B1 EP 1203151B1 EP 00958208 A EP00958208 A EP 00958208A EP 00958208 A EP00958208 A EP 00958208A EP 1203151 B1 EP1203151 B1 EP 1203151B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
armature
spring
closing
injector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00958208A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1203151A1 (de
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1203151A1 publication Critical patent/EP1203151A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1203151B1 publication Critical patent/EP1203151B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
    • F02M63/0056—Throttling valves, e.g. having variable opening positions throttling the flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
    • F02M45/08—Injectors peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/0017—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using electromagnetic operating means
    • F02M63/0021—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using electromagnetic operating means characterised by the arrangement of mobile armatures
    • F02M63/0022—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using electromagnetic operating means characterised by the arrangement of mobile armatures the armature and the valve being allowed to move relatively to each other
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    • F02M63/0036—Lift valves, i.e. having a valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat with spherical or partly spherical shaped valve member ends
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    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0205—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively for cutting-out pumps or injectors in case of abnormal operation of the engine or the injection apparatus, e.g. over-speed, break-down of fuel pumps or injectors ; for cutting-out pumps for stopping the engine
    • F02M63/022—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively for cutting-out pumps or injectors in case of abnormal operation of the engine or the injection apparatus, e.g. over-speed, break-down of fuel pumps or injectors ; for cutting-out pumps for stopping the engine by acting on fuel control mechanism

Definitions

  • the invention is based on an injector for an injection system for internal combustion engines with a solenoid valve which controls the outflow of fuel through a discharge channel from a valve control chamber, wherein the solenoid valve means for closing the discharge channel, one of an electric magnet actuated and by the means for Closing the drainage channel in operatively connected armature, a first valve spring and a second valve spring and a first stroke stop and a second stroke stop has.
  • Two-stage solenoid valves for injectors of injection systems are known. With the first opening stage of the solenoid valve is to be achieved that the nozzle needle of the injection nozzle opens slowly, so that the precise design of small pilot injection quantities is facilitated. The second opening stage is the main injection. In this case, a large opening speed of the nozzle needle is desired.
  • the armature of the solenoid valve via two in Row switched compression springs against the opening direction of the solenoid valve acted upon. Until a first stroke stop is reached, only a first compression spring acts counter to the opening direction of the valve on the armature; After the armature has passed the first stroke stop, in addition a second compression spring with the same direction of action acts on the armature.
  • a disadvantage of this design is that due to the series connection, the overall length of the solenoid valve is large. This is particularly problematic in modern, compact design engines and modern vehicles because the available space is usually limited.
  • a two-stage actuated by a piezo actuator valve of an injector is from the DE OS 1974 1850 known.
  • this solenoid valve two valve springs are also connected in series, wherein between the two valve springs, an intermediate ring is arranged.
  • This valve also has the above-mentioned disadvantages.
  • the invention has for its object to provide a two-stage solenoid valve for an injector, which is compact and whose performance at different frequencies is good.
  • first and second valve springs are compression or tension springs
  • a valve spring can be arranged on each side of the armature, so that the length of the valve springs do not add additively to the overall length of the armature to the overall length of the solenoid valve.
  • at least one valve spring can be arranged in parallel, in particular concentrically to the armature, so that the overall structural length of the solenoid valve is correspondingly reduced.
  • valve spring is a compression spring and the second valve spring is a tension spring
  • both valve springs can be arranged in parallel, in particular concentric to the armature, so that further reduces the overall length of the solenoid valve.
  • the valve springs whose series connection is avoided, which has a favorable effect on the resonance behavior of the solenoid valve.
  • the first valve spring between a housing of the injector and the end of the armature facing away from the means for closing the drainage channel is tensioned compression spring
  • the second valve spring is a tensioned between the housing of the injector and the end of the anchor facing the means for closing the drainage channel, so that a simple structure and at the same time small space requirement of the solenoid valve is achieved.
  • the small footprint is iu. a. on the arrangement of the second valve spring between means for. Close the drainage channel and the anchor closing.
  • the design of small pilot injection amounts despite Hoher: opening speed of the nozzle needle is made possible in the main injection.
  • the second valve spring acts on the armature via a displaceable intermediate ring, and that the path of the intermediate ring is limited by the first stroke stop, so that the first stroke stop can be easily and precisely fixed.
  • the means for closing the discharge channel via a push rod with the armature are in operative connection, so that a spatial separation between the means for closing the drainage channel and the anchor are present. In addition, this is more space for the second valve spring available.
  • the second valve spring and / or the intermediate ring is arranged concentrically to the push rod, so that the space requirement of the solenoid valve according to the invention further decreases.
  • the means for closing the drainage channel are a ball and a ball seat in the housing or arranged at the end remote from the armature rod valve head and a correspondingly shaped valve seat in the housing, so that in a simple manner a reliable seal the drainage channel takes place.
  • An embodiment of the invention provides that the injection system is a common-rail injection system, so that the advantages according to the invention also benefit these injection systems.
  • FIG. 1 an injector is shown schematically.
  • fuel 3 is fed via an inlet channel 5 to an injection nozzle 7 and via an inlet throttle 9 into a valve control chamber 11.
  • the valve control chamber 11 is connected via a discharge channel 12 and an outlet throttle 13, which can be opened by a solenoid valve 15, with a fuel return 17.
  • the fuel 3 is in FIG. 1 shown as a black area.
  • the valve control chamber 11 is bounded by a valve piston 19.
  • To the valve piston 19 includes a nozzle needle 21, which prevents the pressurized fuel 3 flows between the injections in the combustion chamber, not shown.
  • the nozzle needle 21 has a cross-sectional change 23 from a larger diameter 25 to a smaller diameter 27. With its larger diameter 25, the nozzle needle 21 is guided in a housing 29.
  • the change in cross section 23 delimits a pressure chamber 31 of the injection nozzle 7
  • control and leakage quantities can be up to 50 mm 3 / stroke. They are returned via the fuel return 17 back into the fuel tank, not shown.
  • FIG. 2 an inventive solenoid valve 15 is shown. Between the injections, the outlet throttle 13 is closed by a ball 41 of the solenoid valve 15. This is done indirectly via an armature 43, a pressure rod 44 connected to this and a first valve spring 45 by the ball 41 is pressed into a ball seat 47 of the housing 29. Between the ball seat 47 and armature 43, a second valve spring 57 is arranged, which exerts an opposing force on the armature 43 via an intermediate ring 59 of the first valve spring 45.
  • the intermediate ring 59 is displaceable in the direction of the longitudinal axis of the armature 43 up to a first stroke stop 61.
  • FIG. 2 an embodiment is shown in which the intermediate ring 59 is centered by means of a recess 63 through the first stroke stop 61.
  • the power with the Ball 41 is pressed in the illustrated operating state of the solenoid valve 15 in the ball seat 47 is the difference in the forces of the first valve spring 45 and the second valve spring 57th
  • an electric magnet 49 of the solenoid valve 15 is driven with a starting current I v .
  • the thereby acting on the armature 43 force of the electric magnet 49 is dimensioned such that it exceeds the difference of the forces acting on the armature 43 forces of the first valve spring 45 and the second valve spring 57.
  • the armature 43 moves in the direction of the electric magnet 49 until the intermediate ring 59 rests on the first stroke stop 61.
  • the entire spring force of the first valve spring 45 counteracts the force exerted on the armature 43 by the electric magnet 15.
  • the spring force of the first valve spring 45 is greater than the force of the electromagnet 15, if through this a current of magnitude I v flows. Therefore, the armature 43 opens in the pre-injection only until the intermediate ring 59 rests on the first stroke stop 61; this stroke corresponds to the distance marked 65 in FIG. 2 , But there are also other Hubanelle conceivable.
  • the rebounding of the second valve spring 57 may also be effected by a tie rod connected to the second valve spring. be limited.
  • the term of the first stroke stop is understood in the context of the present invention so that after reaching a certain stroke of the armature 43, the second valve spring 57, the armature 43 is no longer applied.
  • the opening speed of in FIG. 1 illustrated nozzle needle 21 is determined by the flow difference between the inlet throttle 9 and outlet throttle 13.
  • the outlet throttle 13 and ball seat 47 and ball 41 are connected in series flow resistances.
  • the flow resistance of ball seat 47 and ball 41 is large because of the small stroke 65 of the armature 43. Therefore, the opening speed of the nozzle needle 21 during the pilot injection is relatively low. This facilitates the design of small pilot injection quantities.
  • the increased attraction current I A is reduced to a lower holding current I H of. This is possible because the air gap of the magnetic circuit is now is lower.
  • the armature 43 is pressed by the force of the first valve spring 45 in the direction of the ball 41 and the ball 41 closes the outlet throttle 13.
  • the second valve spring 57 brakes as soon as the stroke 65 is reached, the Anchor 43 and prevents heavy wear of the ball seat 47 and the ball 41st
  • the closing speed of the nozzle needle 21 is determined by the flow rate of the inlet throttle 9. The injection ends when the nozzle needle 21 rests on the nozzle needle seat 35.
  • FIG. 3 the timing of the operation of the solenoid valve and the injection nozzle is qualitatively represented.
  • FIG. 3a the armature stroke 69 of the solenoid valve over time 71 is shown.
  • On the ordinate is the armature stroke in the pilot injection is denoted by "v” and the armature stroke in the main injection with "h". It can be seen from the comparison of the slopes that the opening speed of the solenoid valve is greater in the main injection than in the pilot injection. This can be achieved for example by a larger compared to the pre-injection larger armature current.
  • FIG. 3b the stroke of the injector 73 is shown over time 71.
  • the vertical dashed lines was trying to represent the time delay between opening the actuation of the solenoid valve and the opening or closing of the injector.

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Fluid Mechanics (AREA)
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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Injektor für ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem Magnetventil, das den Abfluss von Kraftstoff durch einen Abflusskanal aus einem Ventilsteuerraum steuert, wobei das Magnetventil Mittel zum Verschließen des Abflusskanals, einen von einem Elektro-Magneten betätigbaren und mit den Mitteln zum Verschließen des Abflusskanals in Wirkverbindung stehenden Anker, eine erste Ventilfeder und eine zweite Ventilfeder sowie einen ersten Hubanschlag und einen zweiten Hubanschlag aufweist.
  • Zweistufige Magnetventile für Injektoren von Einspritzsystemen sind bekannt. Mit der ersten Öffnungsstufe des Magnetventils soll erreicht werden, dass die Düsennadel der Einspritzdüse langsam öffnet, so dass die präzise Bemessung kleiner Voreinspritzmengen erleichtert wird. Die zweite Öffnungsstufe dient der Haupteinspritzung. Dabei ist eine große Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel erwünscht.
  • Bei einer bekannten Ausführungsform eines zweistufigen Magnetventils ist der Anker des Magnetventils über zwei in Reihe geschaltete Druckfedern entgegen der Öffnungsrichtung des Magnetventils beaufschlagbar. Bis zum Erreichen eines ersten Hubanschlags wirkt nur eine erste Druckfeder entgegen der Öffnungsrichtung des Ventils auf den Anker; nachdem der Anker den ersten Hubanschlag passiert hat, wirkt zusätzlich eine zweite Druckfeder mit gleicher Wirkungsrichtung auf den Anker.
  • Nachteilig an dieser Ausführung ist, dass aufgrund der Reihenschaltung die Baulänge des-Magnetventils groß ist. Dies ist besonders bei modernen, kompakt aufgebauten Motoren und modernen Kraftfahrzeugen problematisch da der verfügbare Bauraum in der Regel beschränkt ist. Außerdem führt die Reihenschaltung zweier Federn unter Zuhilfenahme eines Zwischenstücks dazu, dass die Eigenfrequenzen des Magnetventils relativ niedrig sind, was sich im Betriebsverhalten nachteilig auswirken kann.
  • Ein zweistufiges von einem Piezo-Aktor betätigtes Ventil eines Injektors ist aus der DE OS 1974 1850 bekannt. Bei diesem Magnetventil sind ebenfalls zwei Ventilfedern in Reihe geschaltet, wobei zwischen den beiden Ventilfedern ein Zwischenring angeordnet ist. Auch dieses Ventil weist die oben genannten Nachteile auf.
  • Aus der EP 0 907 018 A2 ist ein einstufiges Magnetventil bekannt, auf dessen Ventilglied die Federkräfte von zwei in entgegengesetzter Richtung wirkenden Druckfedern einwirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zweistufiges Magnetventil für einen Injektor bereitzustellen, das kompakt aufgebaut ist und dessen Betriebsverhalten bei verschiedensten Frequenzen gut ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Injektor für ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsrichtungen von erster und zweiter Ventilfeder wird eine besonders kompakte Bauweise des Magnetventils erreicht:
  • Für den Fall, dass sowohl erste als auch zweite Ventilfeder Druck- oder Zugfedern sind, kann eine Ventilfeder auf jeder Seite des Ankers angeordnet sein, so dass die Länge der Ventilfedern nicht additiv zur Baulänge des Ankers zur Gesamtbaulänge des Magnetventils beitragen. D. h. es kann mindestens eine Ventilfeder parallel, inbesondere konzentrisch zum Anker angeordnet werden, so dass sich die Gesamtbaulänge des Magnetventils entsprechend verringert.
  • Für den Fall, dass die erste Ventilfeder eine Druckfeder und die zweite Ventilfeder eine Zugfeder ist, können sogar beide Ventilfedern parallel, insbesondere konzentrisch zum Anker angeordnet werden, so dass die sich die Gesamtbaulänge des Magnetventils weiter verringert.
  • Außerdem wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Ventilfedern deren Reihenschaltung vermieden, was sich günstig auf das Resonanzverhalten des Magnetventils auswirkt. Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Ventilfeder eine zwischen ein Gehäuse des Injektors und das den Mitteln zum Verschließen des Abflusskanals abgewandte Ende des Ankers gespannte Druckfeder ist, dass die zweite Ventilfeder eine zwischen das Gehäuse des Injektors und das den Mitteln zum Verschließen des Abflusskanals zugewandte Ende des Ankers gespannte Druckfeder ist, so dass ein einfacher Aufbau und gleichzeitig ein geringer Platzbedarf des Magnetventils erreicht wird. Der geringe Platzbedarf ist iu. a. auf die Anordnung der zweiten Ventilfeder zwischen Mitteln zum . Verschließen des Abflusskanals und dem Anker zurückzuführen. Außerdem wird bei dieser Ausführungsform die Bemessung kleiner Voreinspritzmengen trotz.hoher:Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel bei der Haupteinspritzung ermöglicht.
  • Da der Weg des Ankers durch einen zweiten Hubanschlag begrenzt wird, liegt die Öffnung des Magnetventils bei der Haupteinspr-itzung mit großer Wiederholgenauigkeit fest.
  • Bei einer anderen Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Ventilfeder den Anker über einen verschiebbaren Zwischenring beaufschlagt, und dass der Weg des Zwischenrings durch den ersten Hubanschlag begrenzt wird, so dass der erste Hubanschlag einfach und genau festlegbar ist.
  • Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung stehen die Mittel zum Verschließen des Abflusskanals über eine Druckstange mit dem Anker in Wirkverbindung stehen, so dass eine räumliche Trennung zwischen den Mitteln zum Verschließen des Abflusskanals und dem Anker vorhanden sind. Außerdem ist dadurch mehr Platz für die zweite Ventilfeder vorhanden.
  • Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Ventilfeder und/oder der Zwischenring konzentrisch zu der Druckstange angeordnet ist, so dass der Platzbedarf des erfindungsgemäßen Magnetventils weiter abnimmt.
  • In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Verschließen des Abflusskanals eine Kugel und ein Kugelsitz im Gehäuse oder ein an dem dem Anker abgewandten Ende der Druckstange angeordneter Ventilkopf und ein entsprechend geformter Ventilsitz im Gehäuse sind, so dass auf einfache Weise eine zuverlässige Abdichtung des Abflusskanals erfolgt.
  • Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Einspritzsystem ein Common-Rail-Einspritzsystem ist, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile auch diesen Einspritzsystemen zugute kommen.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Injektors,
    Figur 2
    ein erfindungsgemäßes zweistufiges Magnetventil, und
    Figur 3
    Zeitdiagramme zu dem Magnetventil.
  • In Figur 1 ist ein Injektor schematisch dargestellt. Über einen Hochdruckanschluss 1 wird Kraftstoff 3 über einen Zulaufkanal 5 zu einer Einspritzdüse 7 sowie über eine Zulaufdrossel 9 in einen Ventilsteuerraum 11 geführt. Der Ventilsteuerraum 11 ist über einen Abflusskanal 12 und eine Ablaufdrossel 13, die durch ein Magnetventil 15 geöffnet werden kann, mit einem Kraftstoffrücklauf 17 verbunden.
  • Leckagen des Magnetventils 15 werden durch den Leckage-Abfluss 18 abgeführt. Der Kraftstoff 3 ist in Figur 1 als schwarze Fläche dargestellt.
  • Der Ventilsteuerraum 11 wird von einem Ventilkolben 19 begrenzt. An den Ventilkolben 19 schließt eine Düsennadel 21 an, die verhindert, dass der unter Druck stehende Kraftstoff 3 zwischen den Einspritzungen in den nicht dargestellten Brennraum fließt. Die Düsennadel 21 weist eine Querschnittsänderung 23 von einem größeren Durchmesser 25 auf einen kleineren Durchmesser 27 auf. Mit ihrem größeren Durchmesser 25 ist die Düsennadel 21 in einem Gehäuse 29 geführt. Die Querschnittsänderung 23 begrenzt einen Druckraum 31 der Einspritzdüse 7
  • Bei geschlossener Ablaufdrossel 13 ist die auf eine Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft größer als die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft, weil die Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 größer als die Ringfläche der Querschnittsänderung 23 ist. In Folge dessen wird die Düsennadel 21 in einen Düsennadelsitz 35 gepresst und dichtet den Zulaufkanal 5 zum nicht dargestellten Brennraum ab.
  • Wenn die nicht dargestellte Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems nicht angetrieben wird, weil der Motor steht, dann schließt eine auf einen Absatz 37 der Düsennadel 21 wirkende Düsenfeder 39 die Einspritzdüse 7 bzw. den Injektor.
  • Wenn die Ablaufdrossel 13 bzw. das Magnetventil 15 geöffnet wird, sinkt der Druck im Ventilsteuerraum 11 und damit die auf eine Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft. Sobald diese hydraulische Kraft kleiner ist als die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft, öffnet die Düsennadel 21, so dass der Kraftstoff 3 durch die nicht dargestellten Spritzlöcher in den Brennraum gelangen kann. Diese indirekte Ansteuerung der Düsennadel 21 über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem ist notwendig, weil die zum schnellen Öffnen der Düsennadel 21 benötigten Kräfte mit dem Magnetventil 15 nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zu der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte sogenannte "Steuermenge" gelangt über die Zulaufdrossel 9, den Ventilsteuerraum 11 und die Ablaufdrossel 13 in den Kraftstoffrücklauf 17.
  • Zusätzlich zur Steuermenge entsteht auch noch an der Düsennadelführung und der Ventilkolbenführung eine Leckage. Die Steuer- und die Leckagemengen können bis zu 50 mm3/Hub betragen. Sie werden über den Kraftstoffrücklauf 17 wieder in den nicht dargestellten Kraftstoffbehälter zurückgeführt.
  • In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Magnetventil 15 dargestellt. Zwischen den Einspritzungen wird die Ablaufdrossel 13 durch eine Kugel 41 des Magnetventils 15 verschlossen. Dies geschieht mittelbar über einen Anker 43, eine mit diesem verbundene Druckstange 44 und eine erste Ventilfeder 45, indem die Kugel 41 in einen Kugelsitz 47 des Gehäuses 29 gepresst wird. Zwischen Kugelsitz 47 und Anker 43 ist eine zweite Ventilfeder 57 angeordnet, die über einen Zwischenring 59 eine der ersten Ventilfeder 45 entgegenwirkende Kraft auf den Anker 43 ausübt.
  • Der Zwischenring 59 ist in Richtung der Längsachse des Ankers 43 bis zu einem ersten Hubanschlag 61 verschiebbar. In Figur 2 ist eine Ausführung dargestellt, bei der der Zwischenring 59 mittels einer Ausnehmung 63 durch den ersten Hubanschlag 61 zentriert ist. Die Kraft mit der die Kugel 41 in dem dargestellten Betriebszustand des Magnetventils 15 in den Kugelsitz 47 gepresst wird ist die Differenz der Kräfte der ersten Ventilfeder 45 und der zweiten Ventilfeder 57.
  • Um eine Voreinspritzung auszulösen, wird ein Elektro-Magnet 49 des Magnetventils 15 mit einem Anzugsstrom Iv angesteuert wird. Die dadurch auf den Anker 43 wirkende Kraft des Elektro-Magneten 49 ist so bemessen, dass sie die Differenz der auf den Anker 43 wirkenden Kräfte der ersten Ventilfeder 45 und der zweiten Ventilfeder 57 übersteigt. In Folge dessen bewegt sich der Anker 43 in Richtung des Elektro-Magneten 49 bis der Zwischenring 59 auf dem ersten Hubanschlag 61 aufliegt. Sobald der erste Hubanschlag 61 die Federkraft der zweiten Ventilfeder 57 aufnimmt, wirkt die ganze Federkraft der ersten Ventilfeder 45 entgegen der vom Elektro-Magneten 15 auf den Anker 43 ausgeübten Kraft. Die Federkraft der ersten Ventilfeder 45 ist größer als die Kraft des Elektromagneten 15, wenn durch diesen ein Strom vom Betrag Iv fließt. Deshalb öffnet der Anker 43 bei der Voreinspritzung nur bis der Zwischenring 59 auf dem ersten Hubanschlag 61 anliegt; dieser Hub entspricht der mit 65 bezeichneten Strecke in Figur 2. Es sind aber auch andere Hubanschläge denkbar. Beispielsweise kann das Ausfedern der zweiten Ventilfeder 57 auch durch eine mit der zweiten Ventilfeder verbundenen Zugstange odgl. beschränkt werden. Der Begriff des ersten Hubanschlags wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung so verstanden, dass nach Erreichen eines bestimmten Hubs des Ankers 43 die zweite Ventilfeder 57 den Anker 43 nicht mehr beaufschlagt.
  • Mit dem teilweisen Öffnen des Magnetventils 15 kann Kraftstoff 3 über den Abflusskanal 12 und die darin angeordnete Ablaufdrossel 13 aus dem Ventilsteuerraum 11 in einen darüberliegenden Hohlraum 51 und über den Kraftstoffrücklauf 17 zum nicht dargestellten Kraftstoffbehälter abfließen, so dass der Druck im Ventilsteuerraum 11 sinkt. Die Zulaufdrossel 9 verhindert einen vollständigen Druckausgleich zwischen dem in Figur 1 dargestellten Zulaufkanal 5 und dem Ventilsteuerrraum 11. Sobald die aufgrund des sinkenden Drucks im Ventilsteuerraum 11 auf die Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 wirkende hydraulische Kraft kleiner ist als die auf die mit dem Einspritzdruck beaufschlagte, in Figur 1 dargestellte, Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft, öffnet die Düsennadel 21 und die Einspritzung beginnt.
  • Die Öffnungsgeschwindigkeit der in Figur 1 dargestellten Düsennadel 21 wird vom Durchflussunterschied zwischen der Zulaufdrossel 9 und Ablaufdrossel 13 bestimmt. Die Ablaufdrossel 13 sowie Kugelsitz 47 und Kugel 41 sind in Reihe geschaltete Strömungswiderstände. Bei der Voreinspritzung ist wegen des geringen Hubs 65 des Ankers 43 der Strömungswiderstand von Kugelsitz 47 und Kugel 41 groß. Deshalb ist die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 21 bei der Voreinspritzung relativ gering. Dies erleichtert die Bemessung kleiner Voreinspritzmengen.
  • Die Haupteinspritzung wird ausgelöst indem der Elektro-Magnet 49 des Magnetventils 15 mit dem sogenannten Anzugsstrom IA, der größer als Iv ist, angesteuert wird. Die auf den Anker 43 wirkende Kraft des Elektro-Magneten 49 übersteigt in diesem Fall auch die Kraft der ersten auf den Anker 43 wirkenden Ventilfeder 45, so dass der Anker 43 bis zum Erreichen eines zweiten Hubanschlags 67 öffnet. Bei der Öffnung des Magnetventils 15 wirken sich folgende Zusammenhänge positiv aus:
    • Wenn das Magnetventil 15 geschlossen ist, ist der Abstand zwischen Anker 43 und Elektro-Magnet 49 groß. Deshalb ist die auf den Anker 43 wirkende Kraft des Elektro-Magneten 49 relativ klein. In dieser Stellung wirkt nur die Differenz der Kräfte von erster Ventilfeder 45 und zweiter Ventilfeder 57 auf den Anker 43. D. h. zu Beginn der Öffnung des Magnetventils 15 muss zusätzlich zu den Reibungs- und Trägheitskräften nur eine geringe Federkraft überwunden werden. Deshalb reicht schon ein Anzugsstrom Iv aus, um eine Teilöffnung des Magnetventils 15 und damit eine langsame Öffnung der Düsennadel 21 zu bewirken.
    • Wenn der das Magnetventil bereits teilweise oder sogar ganz geöffnet ist, ist der Abstand zwischen Anker 43 und Elektro-Magnet 49 klein. Wegen des nun kleineren Luftspalts zwischen Anker 43 und Elektro-Magnet 49 ist die auf den Anker 43 wirkende Kraft des Elektro-Magneten 49 bei gleichem Stromfluss durch den Elektro-Magneten 49 relativ groß. In diesem Fall kann der Elektro-Magnet 49 auch die Kraft der ersten Ventilfeder 45 überwinden. Unterstützend kommt hinzu, dass die Trägheitskräfte des Ankers 43 in diesem Stadium der Öffnung des Magnetventils 15 bereits abgenommen haben.
    • Bei der Haupteinspritzung wird der Elektro-Magnet 49 von einem größeren Anzugsstrom IA durchflossen, was eine schnellere und weitere Öffnung des Magnetventils 15 und in Folge dessen auch der Düsennadel 21 zur Folge hat. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 21 bei der Haupteinspritzung ist groß, da der Anker 43 einen großen Hub zurücklegt und deshalb der Strömungswiderstand des Kugelsitzes 47 und der Kugel 41 sehr viel kleiner als bei der Voreinspritzung ist. Bei voll geöffneter Einspritzdüse 7 wird der Kraftstoff 3 mit einem Druck, der annähernd dem Druck im Rail entspricht, in den Brennraum eingespritzt.
  • Nach einer gewissen Zeit wird der erhöhte Anzugsstrom IA auf einen geringeren Haltestrom IH von reduziert. Dies ist möglich, da der Luftspalt-des magnetischen Kreises nun geringer ist.
  • Sobald der Haltestrom IH nicht mehr fließt, wird der Anker 43 durch die Kraft der ersten Ventilfeder 45 in Richtung der Kugel 41 gedrückt und die Kugel 41 verschließt die Ablaufdrossel 13. Dabei bremst die zweite Ventilfeder 57, sobald der Hub 65 unterschritten wird, den Anker 43 ab und verhindert einen starken Verschleiss des Kugelsitzes 47 und der Kugel 41.
  • Durch das Verschließen der Ablaufdrossel 13 baut sich im Ventilsteuerraum 11 über die Zulaufdrossel 9 wieder der Rail-Druck auf. Dieser Druck übt über die Stirnfläche 33 des Ventilkolbens 19 eine gegenüber dem geöffneten Zustand erhöhte hydraulische Kraft auf den Ventilkolben 19 aus. Sobald diese hydraulische Kraft und die Kraft der Düsenfeder 39 die auf die Querschnittsänderung 23 wirkende hydraulische Kraft überschreiten, schließt die Düsennadel 21.
  • Die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel 21 wird durch den Durchfluss der Zulaufdrossel 9 bestimmt. Die Einspritzung endet, wenn die Düsennadel 21 auf dem Düsennadelsitz 35 aufliegt.
  • In Figur 3 ist der zeitliche Verlauf der Betätigung des Magnetventils und der Einspritzdüse qualitativ dargestellt. In Figur 3a ist der Ankerhub 69 des Magnetventils über der Zeit 71 dargestellt. Auf der Ordinate ist der Ankerhub bei der Voreinspritzung ist mit "v" und der Ankerhub bei der Haupteinspritzung mit "h" bezeichnet. Es ist durch den Vergleich der Steigungen erkennbar, dass die Öffnungsgeschwindigkeit des Magnetventils bei der Haupteinspritzung größer als bei der Voreinspritzung ist. Dies kann beispielsweise durch einen größeren im Vergleich zur Voreinspritzung größeren Ankerstrom erreicht werden.
  • In Figur 3b ist der Hub der Einspritzdüse 73 über der Zeit 71 dargestellt. Durch die senkrecht verlaufenden gestrichelten Linien wurde versucht, die Zeitverzögerung zwischen Öffnen der Betätigung des Magnetventils und dem Öffnen bzw. Schließen der Einspritzdüse darzustellen.
  • Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (8)

  1. Injektor für ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einem Magnetventil (15), das den Abfluss von Kraftstoff (3) durch einen Abflusskanal (12) aus einem Ventilsteuerraum (11) steuert, wobei das Magnetventil (15) Mittel zum Verschließen (41, 47) des Abflusskanals (12), einen von einem Elektro-Magneten (49) betätigbaren und mit den Mitteln zum Verschließen (41, 47) des Abflusskanals (12) in Wirkverbindung stehenden Anker (43), sowie eine erste Ventilfeder (45) mit einer größeren Federkraft als die der ersten Ventilfeder (45) entgegenwirkende Federkraft, einer zweiten Ventilfeder (57) aufweist, wobei der Weg des Ankers (43) durch einen zweiten Hubanschlag (67) begrenzt wird, wobei die erste Ventilfeder (45) den Anker (43) in Schließrichtung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass von der Schließstellung des Magnetventils (15) bis zum Erreichen eines ersten Hubanschlags (61), wobei das Magnetventil (15) teilweise geöffnet wird, die zweite Ventilfeder (57) den Anker (43) in Öffnungsrichtung beaufschlagt.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilfeder (45) eine zwischen ein Gehäuse (29) des Injektors und das den Mitteln zum Verschließen (41, 47) des Abflusskanals (12) abgewandte Ende des Ankers (43) gespannte Druckfeder ist, dass die zweite Ventilfeder (57) eine zwischen das Gehäuse (29) des Injektors und das den Mitteln zum Verschließen (41, 47) des Abflusskanals (12) zugewandte Ende des Ankers (43) gespannte Druckfeder ist.
  3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ventilfeder (57) den Anker (43) über einen verschiebbaren Zwischenring (59) beaufschlagt, und dass der Weg des Zwischenrings (59) durch den ersten Hubanschlag (61) begrenzt wird.
  4. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verschließen (41, 47) des Abflusskanals (12) über eine Druckstange (44) mit dem Anker (43) in Wirkverbindung stehen.
  5. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ventilfeder (57) und/oder der Zwischenring (59) konzentrisch zu der Druckstange (44) angeordnet ist.
  6. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verschließen des Abflusskanals (12) ein an dem dem Anker (43) abgewandten Ende der Druckstange (44) angeordneter Ventilkopf und ein entsprechend geformter Ventilsitz im Gehäuse (29) sind.
  7. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verschließen (41, 47) des Abflusskanals (12) eine Kugel (41) und ein Kugelsitz (47) im Gehäuse (29) sind.
  8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem ein Common-Rail-Einspritzsystem ist.
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